楊志祥，雅 菁，尚靜媛，劉曉錚

（1.天津城建大學(xué)，天津 300384；2.天津津貝爾建筑工程試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)有限公司，天津 300170）

鋼筋混凝土由于其使用方便、價(jià)格低廉及高強(qiáng)耐久性被廣泛用于各類工程設(shè)施中. 對(duì)于地鐵工程而言，其主體結(jié)構(gòu)往往處于地下水豐富的地層中，而在像天津這種臨海城市，地下水含有豐富的氯鹽等侵蝕性介質(zhì)[1-3].在地鐵運(yùn)行過(guò)程中還普遍存在著雜散電流腐蝕的現(xiàn)象，這都是引起混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕的主要原因，人們已對(duì)此進(jìn)行了大量研究[4-8].隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用年限的延長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫或混凝土保護(hù)層脫落，致使環(huán)境氯離子直接與鋼筋接觸，加速鋼筋的銹蝕，這種情況下的鋼筋腐蝕行為的電化學(xué)特性也已有一些研究[9-11].

我國(guó)的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)近年來(lái)高速發(fā)展，但施工過(guò)程還比較粗放，有時(shí)由于混凝土保護(hù)層較薄或施工過(guò)程中的操作不當(dāng)?shù)纫蛩兀诨炷两Y(jié)構(gòu)初期就存在了鋼筋裸露的現(xiàn)象[12]，而此時(shí)的鋼筋表面并沒有由于混凝土內(nèi)部環(huán)境的養(yǎng)護(hù)而形成鈍化膜，這對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響更為重大.目前對(duì)于未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋腐蝕行為的電化學(xué)特性研究甚少，特別是結(jié)構(gòu)中存在的彎曲鋼筋腐蝕行為的電化學(xué)特性研究更是未見報(bào)道，而彎曲鋼筋部位的混凝土保護(hù)層通常更易脫落.本文針對(duì)影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的鋼筋銹蝕問題，分別對(duì)未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)與經(jīng)過(guò)混凝土養(yǎng)護(hù)地鐵彎曲鋼筋腐蝕行為的電化學(xué)特性進(jìn)行研究.

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 原材料

試驗(yàn)所用鋼筋為河北東海特鋼集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的直徑為16 mm、長(zhǎng)度為400 mm 的HRB400 型螺紋鋼筋.所用養(yǎng)護(hù)鋼筋的混凝土為C40，水膠比為0.4.

1.2 試件制作及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了模擬實(shí)際工程中鋼筋的應(yīng)力彎曲狀態(tài)，設(shè)計(jì)制作了如圖1 所示的試驗(yàn)裝置.將鋼筋置于夾具和墊塊之間，通過(guò)擰夾具上端螺母固定鋼筋的彎曲角度，使彎曲角度為0°、45°和90°. 圖1 中夾具細(xì)節(jié)如圖2所示. 采用直流電源模擬實(shí)際地鐵環(huán)境中的雜散電流，導(dǎo)線與鋼筋連接處用環(huán)氧樹脂作密封處理.整個(gè)裝置放在盛有0.5%NaCl 溶液的塑料箱中，使NaCl 溶液覆蓋整個(gè)鋼筋試件.由于夾具的特殊性，彎曲后的鋼筋為沿中線對(duì)稱的兩個(gè)相同大小的彎曲角度.

圖1 試驗(yàn)裝置示意

圖2 夾具示意

按照不同養(yǎng)護(hù)條件將鋼筋試件分為兩組：一組未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)，用字母N 表示；另一組經(jīng)過(guò)混凝土養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)方式為將制作完成的鋼筋試件埋置于C40 混凝土試塊后放置標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)7 d[8]，用字母Y 表示.不同鋼筋試件的通電電壓為0V 或10V.按照養(yǎng)護(hù)條件、彎曲角度和通電電壓等因素對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，以N-45-10 表示未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)、彎曲角度為45°、通電電壓為10V 的鋼筋試件，其余以此類推.

1.3 電化學(xué)及表觀形貌

采用上海辰華CHI760E 電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試.電化學(xué)測(cè)試采用三電極測(cè)量的方式，鋼筋為工作電極，鉑電極為輔助電極，飽和氯化銀為參比電極，分別測(cè)試鋼筋的腐蝕電位、線性極化曲線、電化學(xué)阻抗譜等電化學(xué)參數(shù).采用VHX-600K 數(shù)碼顯微鏡觀察鋼筋的表觀形貌.

在線性極化法測(cè)試中，掃描電位相對(duì)開路為±20 mV，掃描速率為1 mV/s；交流阻抗譜測(cè)試中，采用振幅為10 mV 的正弦波電壓激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量頻率范圍為0.1 Hz~100 kHz.

2 結(jié)果與討論

2.1 未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋

2.1.1 腐蝕電位

圖3 為未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋施加一定時(shí)間0V和10V 電壓后不同鋼筋試件腐蝕電位的變化. 通過(guò)比較圖3a 和圖3b 可知，在10V 電壓作用下，鋼筋腐蝕電位短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了明顯的下降，最大下降到-428 mV，可以判定此時(shí)鋼筋已經(jīng)銹蝕[13].不同彎曲角度鋼筋的腐蝕電位也有明顯的不同，24 h 后，沒有施加電壓的N-0-0、N-45-0 和N-90-0 鋼筋試件的腐蝕電位分別下降了343，358，376 mV；而4 h 后，施加10 V 電壓的N-0-10、N-45-10 和N-90-10 鋼筋試件的腐蝕電位分別下降了368，375，385 mV，即對(duì)于相同彎曲角度的鋼筋，0 V 電壓作用24 h 與10 V 電壓作用4 h 的腐蝕電位下降值相近，說(shuō)明雜散電流大大加速了鋼筋的銹蝕程度.另外，不論通電與否，在相同的腐蝕時(shí)間內(nèi)，彎曲角度越大的鋼筋腐蝕電位下降越大，腐蝕越嚴(yán)重.

2.1.2 電流密度

電流密度Icorr 能夠直觀地表述鋼筋的銹蝕速率，通過(guò)線性極化曲線和Stern-Geary 公式計(jì)算得到下式[12]

圖3 不同電壓作用下鋼筋腐蝕電位隨時(shí)間的變化

圖4 不同電壓作用下鋼筋電流密度隨時(shí)間的變化

式中：Rp為極化電阻；B 為塔菲爾總常數(shù)；βa、βc分別為求陰陽(yáng)極的Tafel 常數(shù)，可通過(guò)Tafel 曲線求出.

圖4 為未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋施加一定時(shí)間0 V和10 V 電壓后不同鋼筋試件電流密度的變化.通過(guò)比較圖4a 和圖4b 可知，在10 V 電壓作用下，鋼筋腐蝕電流密度短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了明顯的增加，最大到1.704 μA/cm2，可以判定此時(shí)鋼筋銹蝕速率已經(jīng)達(dá)到高銹蝕速率狀態(tài)[13].而且可以看出：在0 V 電壓作用下，隨著彎曲角度的增大，腐蝕電流密度間的差值越來(lái)越大；但是在10 V 電壓作用下，這種規(guī)律卻不明顯.說(shuō)明在0 V 電壓下，鋼筋的銹蝕速率隨彎曲角度的增大而增大，即彎曲角度影響鋼筋的銹蝕速率，但是在外界溶液濃度不變的情況下，施加10 V 電壓后彎曲角度對(duì)鋼筋銹蝕速率造成的影響有所減弱.

2.1.3 電化學(xué)阻抗譜

圖5 0 V 電壓作用下不同彎曲角度鋼筋的交流阻抗譜Nyquist 圖

電化學(xué)阻抗譜容抗弧半徑的減小，說(shuō)明鋼筋表面的保護(hù)能力在氯離子的侵蝕下逐漸破壞，腐蝕概率增加.圖5 和圖6 分別為0 V 和10 V 電壓作用下不同彎曲角度鋼筋的交流阻抗譜Nyquist 圖.從中可以看出，鋼筋的Nyquist 圖均表現(xiàn)為單一容抗弧，而且10 V 電壓作用下，容抗弧半徑達(dá)到與0 V 電壓一致時(shí)，所用時(shí)間更短，即雜散電流加速了鋼筋銹蝕.0 V 電壓下，氯離子侵蝕6 h 后，容抗弧急劇減小，且隨著彎曲角度的增大，容抗弧的半徑也隨之減小.10 V 電壓下，隨著時(shí)間和鋼筋彎曲角度的增大，圖形變化規(guī)律與0 V 電壓時(shí)基本一致. 對(duì)比每組試驗(yàn)結(jié)束后的鋼筋容抗弧半徑，發(fā)現(xiàn)N-90-0 和N-90-10 鋼筋的容抗弧半徑最小，其次是N-45-0 和N-45-10，N-0-0 和N-0-10 鋼筋的容抗弧半徑最大，再次證明彎曲角度越大會(huì)增加鋼筋的銹蝕概率.

圖6 10 V 電壓作用下不同彎曲角度鋼筋的交流阻抗譜Nyquist 圖

2.1.4 表觀形貌

圖7 和圖8 為0 V 和10 V 電壓作用下不同彎曲角度鋼筋外部受拉側(cè)部位的表觀形貌.可以看出，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的腐蝕，鋼筋表面均有明顯的銹蝕產(chǎn)物堆積現(xiàn)象，出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕.通過(guò)比較圖7 和圖8 可知，10 V 電壓作用4 h 后鋼筋的銹蝕程度和0 V 電壓作用24 h 后鋼筋的銹蝕程度類似.另外，觀察相同電壓不同彎曲角度的鋼筋表觀形貌圖可以看出：隨著鋼筋彎曲角度的增大，鋼筋表面粗糙度越來(lái)越大，這可能是由于鋼筋的彎曲，增加了鋼筋的外部表面張力，導(dǎo)致該部位出現(xiàn)不同程度的破損，從而加速了鋼筋的銹蝕速率.

2.2 經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋

2.2.1 腐蝕電位

圖7 0 V 電壓作用下鋼筋表觀形貌

圖8 10 V 電壓作用下鋼筋表觀形貌

圖9 為經(jīng)過(guò)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋施加一定時(shí)間的0V和10 V 電壓后腐蝕電位的變化.比較圖9a 和圖9b 可知，10 V 電壓作用下鋼筋腐蝕電位的下降至0 V 電壓作用下的腐蝕電位所用時(shí)間更短.再將圖9 與未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋的情況（見圖3）相比，可見二者電位都隨時(shí)間下降，但經(jīng)過(guò)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋電位下降速率相對(duì)緩慢，且彎曲角度和腐蝕電位之間不像未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋那樣有明確的相關(guān)性.鋼筋外部受拉側(cè)部位的表觀形貌如圖10 和圖11 所示.可以看出，不同彎曲角度鋼筋的表面相對(duì)較平整，但是出現(xiàn)了點(diǎn)蝕現(xiàn)象，說(shuō)明此時(shí)鋼筋已經(jīng)開始銹蝕.

圖9 不同電壓作用下鋼筋腐蝕電位隨時(shí)間的變化

圖10 0 V 電壓作用下鋼筋表觀形貌

圖11 10 V 電壓作用下鋼筋表觀形貌

2.2.2 電流密度

圖12 為經(jīng)過(guò)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋施加一定時(shí)間的0V和10V 電壓后不同鋼筋試件電流密度的變化.通過(guò)觀察圖12a 和圖12b 可知，相同電壓下，鋼筋銹蝕速率隨著腐蝕時(shí)間的增加而增加，且10V 電壓作用下，鋼筋銹蝕速率更快，這與未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)鋼筋的研究結(jié)果一致.但是同一時(shí)期經(jīng)過(guò)混凝土養(yǎng)護(hù)鋼筋的電流密度明顯低于未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)鋼筋的電流密度，而且彎曲角度與鋼筋電流密度之間并沒有顯示出明確的相關(guān)性.

圖12 不同電壓作用下鋼筋電流密度隨時(shí)間的變化

2.3 不同養(yǎng)護(hù)條件下的鋼筋特性分析

對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件下的鋼筋電化學(xué)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是否經(jīng)過(guò)混凝土養(yǎng)護(hù)，雜散電流均加速了鋼筋的腐蝕程度，且10 V 電壓作用4 h 與0 V 電壓作用24 h 對(duì)鋼筋造成的腐蝕程度相當(dāng).未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋，雖然鋼筋彎曲造成的銹蝕程度小于雜散電流造成的銹蝕程度，但是隨著彎曲角度的增大，鋼筋的銹蝕程度也增加，且鋼筋受拉側(cè)部位的表面越粗糙，銹蝕越嚴(yán)重.而經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋，由于表面形成了一層致密的鈍化膜，銹蝕程度相對(duì)于未經(jīng)混凝土腐蝕的鋼筋明顯減緩，且彎曲角度與鋼筋電化學(xué)特性之間并沒有顯示出明確的相關(guān)性.

分析其原因可能是：鋼筋彎曲過(guò)程中會(huì)造成表面保護(hù)層薄弱部位的破損，使鋼筋基體暴露，在基體和保護(hù)層之間形成原電池，而電化學(xué)反應(yīng)可以加速陽(yáng)極金屬的溶解，使更多的基體暴露在腐蝕性溶液中.經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)后，產(chǎn)生的鈍化膜在一定程度上會(huì)修復(fù)鋼筋彎曲所造成的保護(hù)層破損，阻斷電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，減緩鋼筋的銹蝕.

對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件下鋼筋試件氧化層中的元素進(jìn)行檢測(cè)，即分別對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件下的鋼筋在0.5%NaCl溶液腐蝕24 h 后，對(duì)試件受拉側(cè)進(jìn)行能譜分析（EDS），EDS 雖然不能獲得定量的成分信息，但是可以得到試件中不同元素的峰值能量高度，如圖13 和圖14 所示.可以看出：兩種試樣中檢測(cè)到的元素主要為Fe、O 和C，但是未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋試樣中的Fe、O 元素之比高于沒有經(jīng)過(guò)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋試樣；而Fe、O 元素的比例越大，鋼筋表面產(chǎn)生的Fe2O3和Fe3O4就越多，銹蝕就越嚴(yán)重.以N-45-0 和Y-45-0 為例，N-45-0 中的Fe、O 元素之比為0.75，Y-45-0 中的Fe、O 元素之比為0.35，前者Fe、O 元素的比值將近后者的2 倍.可以判定未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋表面產(chǎn)生的銹蝕明顯多于經(jīng)過(guò)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋試件，與前兩節(jié)結(jié)論一致.

圖13 未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋的EDS

圖14 經(jīng)過(guò)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋的EDS

所以在今后地鐵施工過(guò)程中要注意由于混凝土保護(hù)層脫落而導(dǎo)致的鋼筋裸露現(xiàn)象的產(chǎn)生，特別是結(jié)構(gòu)初期未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)彎曲鋼筋的裸露.

3 結(jié) 論

通過(guò)自制彎曲通電試驗(yàn)裝置對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件下遭受雜散電流和氯離子侵蝕的彎曲鋼筋進(jìn)行了電化學(xué)特性試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下.

（1）無(wú)論是否經(jīng)過(guò)混凝土養(yǎng)護(hù)，雜散電流均加速了鋼筋的腐蝕程度，且10 V 電壓作用4 h 與0 V 電壓作用24 h 對(duì)鋼筋造成的腐蝕程度相近.

（2）未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋雖然鋼筋彎曲造成的銹蝕程度小于雜散電流造成的銹蝕程度，但是隨著彎曲角度的增大，鋼筋銹蝕程度也增加，且鋼筋受拉側(cè)部位表面越粗糙，銹蝕越嚴(yán)重.

（3）經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)的鋼筋，表面形成了一層致密的鈍化膜，銹蝕程度相對(duì)于未經(jīng)混凝土腐蝕的鋼筋有所減緩，且彎曲角度與鋼筋電化學(xué)特性之間并沒有顯示出明確的相關(guān)性.

（4）地鐵施工過(guò)程中要注意由于混凝土保護(hù)層脫落而導(dǎo)致鋼筋裸露現(xiàn)象的產(chǎn)生，特別是結(jié)構(gòu)初期未經(jīng)混凝土養(yǎng)護(hù)彎曲鋼筋的裸露.